Физический энциклопедический словарь - взаимодействие сильногосветового поля со средой.

р=е, (1)

где  — диэлектрическая восприимчивость, зависящая только от св-в среды

(см. Диэлектрики). Согласно (1), переизлучённое поле имеет ту же частоту, что и падающее, следовательно, ур-ние (1) не описывает ни возникновения оптич. гармоник, ни др. нелинейные эффекты. Это означает, что соотношением (1) можно пользоваться лишь в области слабых световых полей.

Суть приближений, лежащих в основе (1), можно понять, обращаясь к классич. модели осциллятора, используемой для описания вз-ствия света с в-вом. Поведение атома или молекулы в световом поле эквивалентно колебаниям осциллятора. Характер отклика ат. осциллятора на световую волну можно установить, сравнивая E с напряжённостью внутриатомного поля Eae/a²10⁸ —10⁹ В/см (е — заряд эл-на, a — ат. радиус), определяющего силы связи в ат. осцилляторе. В пучках нелазерных источников Е1—10 В/см, т. е. Е<<Еа, и ат. осциллятор можно считать гармоническим. Прямым следствием этого явл. (1). В пучках мощных лазеров можно получить Е вплоть до 10⁶ —10⁷ В/см, уже сравнимые с Еа. При этом осциллятор становится ангармоническим, нелинейным, что приводит к нелинейной зависимости между поляризацией среды Р и E. При (E/Ea)<1 P можно представить в виде разложения в ряд но параметру Е/Еа:

P=⁽¹⁾E+⁽²⁾E²+⁽³⁾E³+... (2)

Коэфф.⁽¹⁾, ⁽²⁾ и т. д. наз. н е л и н е й н ы м и в о с п р и и м ч и в о с т я м и (по порядку величины ⁽¹⁾~ ~1/Ea; ⁽²⁾~1/E²a. Ур-ние (2) является основой Н. о. Если на поверхность среды падает монохроматич. световая волна Е=Аcos(t-kx), где А — амплитуда,  — частота, k — волновое число, х — координата точки вдоль направления распространения волны, t — время, то, согласно (2), поляризация среды наряду с линейным членом Р^Л =⁽¹⁾Acos(t-kx) содержит ещё и нелинейный член 2-го порядка:

Последнее слагаемое в (3) описывает поляризацию, изменяющуюся с частотой 2, т. е. генерацию 2-й гармоники. Генерация 3-й гармоники, а также зависимость показателя преломления n от интенсивности описываются членом ⁽³⁾E³ в (2) и т. д. [член с ⁽²⁾ описывает также линейный злектрооптич. эффект, если в (2) представить Е в виде: Е=Е0+Есв, где Е0 — статич. поле, Есв — электрич. поле световой волны, а член с  ⁽³⁾ описывает эффект Керра].

Нелинейный отклик ат. или мол. осциллятора на сильное световое поле — наиболее универсальная причина нелинейных оптич. эффектов. Существуют и др. причины: напр., изменение показателя преломления n может быть вызвано нагревом среды лазерным излучением. Изменение темп-ры T=Е² ( — коэфф. поглощения света) приводит к изменению n от n0 до n=n0+(дn/дT)T. Во мн. случаях существенным оказывается также эффект электрострикции (сжатие среды в световом поле Е). В сильном световом поле Е лазера электрострикц. давление, пропорц. Е², изменяет плотность среды, что может привести к генерации звук. волн. С тепловыми эффектами связана самодефокусировка света.

Нелинейные восприимчивости ⁽²⁾, ⁽³⁾, ⁽⁴⁾ и т. д.— новые параметры вещества (рис. 1). Изучение их дисперсии (зависимости от со) — предмет нелинейной спектроскопии. Для атомов методами квантовой механики

Рис. 1. Сравнение эксперим. значений кубичной восприимчивости ⁽³⁾ для разл. кристаллов с теоретическими; т. к. ⁽³⁾ — тензор 4-го ранга, то сравниваются конкретные компоненты тензора.

удаётся рассчитать нелинейные восприимчивости любого порядка. Их дисперсия имеет сложный вид, так как резонансы возникают не только при совпадении частот действующих полей с собственными частотами атома, но и при совпадении с ними тех или иных комбинаций этих частот. В не слишком сильных лазерных полях совпадение результатов теории и эксперимента оказывается хорошим. Для простых молекул вблизи их колебательно-вращат. резонансов дисперсия нелинейной восприимчивости имеет много общего с дисперсией нелинейной восприимчивости атомов вблизи их электронных резонансов. Гораздо сложнее картина для электронных переходов в больших молекулах и конденсированных средах. Несмотря на то, что квантовомеханический расчёт в этих случаях невозможен, была развита феноменологическая теория, позволившая получить количественные результаты, во мн. случаях хорошо согласующиеся с экспериментом (рис. 1), и дать рецепты поиска новых нелинейно-оптич. материалов. В то время как значения

459

⁽²⁾ для подавляющего большинства оптич. материалов отличаются между собой не более чем на один порядок, значения ⁽³⁾ отличаются на три порядка. Это свидетельствует об особой физ. информативности нелинейных св-в в-ва.